RSD在重复频率脉冲工况下的应用探讨

经过数十年的研究，单次运行的脉冲功率技术已得到高度的发展。随着脉冲功率技术由军用扩展到民用，越来越多的领域提出了高重复率、超寿命化的要求。如纳米微粒与氢制造、废气废水的处理及杀菌、X射线产生、卫星推进、高功率声学勘测等，这些领域都需用到重复频率的脉冲功率技术。

结合某项目，对用于卫星推进概念的基于RSD开关的重复频率脉冲功率源进行了研究。在激光推进的应用中，强激光源必须是脉冲激光器，且要满足高的平均功率和峰值功率、高的重复频率的条件。将1kg小卫星发射到近地轨道，估计激光器功率达1MW，脉冲能量达到1kJ，重复频率1kHz。

1.RSD的触发方案

RSD的触发问题即对预充回路的设计，由于RSD是通过注入反向电流的方式来触发的，因此预充回路可以与主回路并联或者串联。RSD的开关能量损耗与预充过程中形成的预充电荷量密切相关，所以RSD可靠和高效运行的条件之一就是合理设计预充回路。这一点在RSD的重频工况应用中也显得尤为重要，4.1.6.2节中采用单刀双掷拉线开关仅适用于单次脉冲，重频条件下预充回路开关必须选择可控开关，一般可以是晶闸管、功率MOSFET、IGBT等。根据已有文献的报道和我们的实验情况，RSD的触发方案一般包括直接式触发和谐振式触发两种。

（1）直接式触发 在图4-60中，当预充回路开关T_c开通，磁开关MS有很高的初始电感，阻断主电容C₁的充电电压，在主电流急剧上升之前保持一段延迟时间。预充电容C₂的放电电流通过RSD-T_c-L₂低阻回路，为RSD提供预充。只要磁开关没有饱和，它就保持高电感，负载回路电流很小，可以忽略。这时，流过T_c的电流与流过RSD的预充电流相等。在主电压的作用下，MS的磁心很快反向磁化并饱和，其电感急剧减小，负载回路电流突升，正向电压加在RSD上，RSD开通并将大电流换流至负载Z₁。MRC（Magnetization-Reversal Circuit）为磁开关的退磁电路。

图4-60 直接式触发方案

由于降低预充回路的电感L₂是一个较困难的技术问题，欲减小预充电流脉宽就应尽量使用小容量的C₂，这样为了提供预充电荷就需要足够高的预充电压。存储在预充电容中的能量要远高于RSD在预充过程中损耗的能量，因此C₂通常会过充。在开关过程完成后，C₂中残余的能量在VD-R₂回路耗散。

直接式触发的缺点预充回路开关T_c在初始阶段需要阻断C₁和C₂充电电压之和的高压，并且需要对预充电容单独供电，提供额外的功率源。

（2）谐振式触发 谐振式触发的预充电容与主电容共用供电装置，它们被充至相同的工作电压，如图4-61所示，在T_c闭合之后，电流流过L₂-T_c回路。因为这个回路的能量损耗很低，C₂上下极板电荷极性交换后为RSD提供了反向电压。

在C₂电荷极性交换过程结束时，T_c开始处于反向阻断状态，重复的C₂反向放电过程开始在RSD和低阻抗的R₂间进行，这就形成了RSD的预充电流。(www.xing528.com)

图4-61 谐振式触发方案

在C₂的充放电电流脉冲流过T_c和RSD过程中，MS阻断C₁的电压并延迟主电流的突升，MS饱和时刻与预充电流结束时刻一致。此时，磁开关电感急剧减小，主回路电流急剧上升，正向电压加到RSD上，RSD无延迟开通，C₁的高功率放电电流流过负载Z₁。R₂的作用是消耗C₂中多余的能量，并在开关过程中为主电流提供至T_c的分流支路。

谐振式触发主要的缺点是在预充电流形成过程中预充电容需要进行电荷极性交换，这使得主电流急剧上升前有一个较长的延时，这样要使磁开关饱和后有低电感就更困难。因此，C₂的放电过程必须足够短。

2.RSD的重复频率开通实验

结合项目的需要，对RSD进行了重复频率的开通实验，选用了谐振式触发方案，电路图如图4-62a所示。试验条件为：主电容C₁为250nF，预充电容C₂为150nF，电压4kV，磁开关MS选用高ΔB的磁心材料、两只并联绕线4匝而成，触发开关为一只耐压6kV的晶闸管，由CPLD（Complex Programmable Logic Device）控制。工作过程为：首先将C₁和C₂充电至4kV，MS复位。当触发开关导通后，C₂经R₂、L₂放电，一段时间后C₂上的电压降到零，C₂的能量转移到L₂中，此放电电流为RSD提供预充，当MS饱和后C₁经RSD对负载完成一次放电，形成一脉冲大电流。试验得到的RSD电压波形图如图4-62b所示，重复频为20Hz。

图4-62 RSD的重复频率开通实验

a）谐振触发电路图 b）RSD上的电压波形